目前，將mRNA應用於疫苗以外的醫藥物的研發在全球範圍内取得了進展，但mRNA在細胞内不安定穩態則是一大難題。京都大學iPS細胞研究所（CiRA）龜田重賢博士生和齊藤博英教授等人組成的研究團隊，透過檢測微RNA（miRNA）及RNA結合蛋白，開發出了可以根據細胞種類，控制基因表現的2種環狀RNA開關，而且包含該開關的人造環形RNA可以穩定、持續地進行基因誘導。齊藤教授表示：「希望透過組合開關技術及環狀RNA技術，實施選擇性去除或再生目標細胞的mRNA藥物。」上述成果已於1月16日刊登在Nucleic Acids Research上。
齊藤博英教授（左）和龜田重賢博士生（右）（供圖：京都大學iPS細胞研究所）
使用了人工mRNA的基因導入技術，由於基因體傷害風險低，導入效率高，並且在理論上可以搭載任何蛋白質，所以不僅是疫苗，還可以應用於基因療法、基因體編輯醫療等用途。但是，由於mRNA在細胞内不穩定，導致基因表現的持續性低、並且出現在目標細胞與組織之外的基因表現也成爲了課題。
研究團隊關注到的是環狀RNA。龜田博士生表示：「在使用小鼠的基因補充療法研究中，mRNA被分解，需要多次投放，副作用也很大，避免這些問題是我們開始該研究的初衷。」
一般的RNA會從末端開始分解，但環狀RNA的末端是封閉的，因此在生物活體內難以分解，基因表現易於持續。然而，迄今爲止還沒有控制環狀RNA蛋白表達的技術。
在生物活體內，miRNA會切斷擁有互補序列的mRNA，抑制基因表達，並與RNA結合蛋白（RBP）轉錄的RNA相結合，來控制功能。二者都因細胞種類而異，並與環狀RNA和mRNA相輔作用。對此，研究團隊認爲，透過模仿、改變這種相輔作用的機制，也許可以控制來自環狀RNA的基因表現，併爲此設計了環狀RNA。
圖1 miRNA應答開關的結構及在培養細胞中的基因表現（供圖：京都大學iPS細胞研究所）
具體做法如下，首先在編碼基因的區域上游，將擁有無Cap結構也能誘導翻譯的内部核糖體侵入部位（IRES）的RNA，合成爲環狀。然後，合成響應細胞内miRNA、控制基因表現的環狀RNA，並且僅在特定miRNA存在於細胞内時，才抑制基因表達。還透過在環狀RNA的基因表現所必須的IRES序列中，插入識別RBP的序列，從而實施了RBP對基因表現的抑制。也就是說，構築了兩個閉合開關。研究團隊還成功構建了結合這兩個環形RNA開關的人工基因迴路，併成功在miRNA存在的條件下激活了基因表現。
導電的迴路的輸出根據目標miRNA的量而增加，具有比普通mRNA迴路更好的基因表現持續性，在本次實驗中應答持續性高達92倍。
使用本研究開發的系統，可以在只有目標miRNA的細胞中關閉基因表現，在沒有目標miRNA和RBP時可以開啟基因表現，甚至在只有目標RBP的細胞中也可以開啟基因表現。如果將其應用於醫療，則可以在各種細胞中，選擇性去除導致疾病的癌細胞等有害細胞，或只向特定的細胞傳送基因，使出現異常的細胞變爲正常細胞。
齊藤教授表示：「此次研究，爲mRNA的新醫藥應用開發了基礎技術。全球對環狀RNA的期待很高，研究開發的競爭逐漸激烈。我們也成立了生物初創企業，今後，包括實用化課題之一的DDS在内，將與不同的公司及大學等合作共同推進研發。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nucleic Acids Research
論文：Synthetic circular RNA switches and circuits that control protein expression in mammalian cells
DOI: 10.1093/nar/gkac1252
